曾 輝，計(jì) 曄，彭 靜，尹項(xiàng)勇

（北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京 100039）

0 前言

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)成熟，在清潔能源中使用成本較低，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可靈活運(yùn)用，與其他能源技術(shù)組成互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。因此，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，具有廣闊的前景[1-2]。隨著海上風(fēng)電發(fā)展，未來幾年我國(guó)廣東、福建30~50m 水深將建設(shè)大量的導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的海上風(fēng)電場(chǎng)。在多種海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式中，大量海上升壓站基礎(chǔ)和海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架作為一種重量輕、海床地質(zhì)條件適應(yīng)性好、穩(wěn)定性好、適合較深海域的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，在歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。導(dǎo)管架基礎(chǔ)和鋼管樁連接主要通過灌漿方式進(jìn)行，灌漿質(zhì)量直接影響到導(dǎo)管架的整體穩(wěn)定性能和安全性。在海上風(fēng)電項(xiàng)目中，導(dǎo)管架灌漿連接通常采用泵送壓漿的方式將灌漿料灌注到海平面以下的灌漿連接段。在灌漿施工中，要求在海上惡劣施工條件下較短時(shí)間內(nèi)完成水下灌漿，對(duì)材料的工作性、可泵送性和早期強(qiáng)度提出較為苛刻的技術(shù)要求[3-5]。

本文采用硅酸鹽水泥，通過對(duì)細(xì)骨料、添加劑等材料的優(yōu)選來制備大流動(dòng)性、可泵送性好、超早強(qiáng)、超高強(qiáng)、無收縮的水泥基灌漿料[6-7]。該灌漿料適用于風(fēng)電錨栓基礎(chǔ)灌漿、使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)安裝的風(fēng)力渦輪機(jī)裝置的基礎(chǔ)灌漿、錨固風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架錨栓灌漿、同時(shí)也適用于關(guān)鍵設(shè)備底座、底板和柱腳灌漿等。在施工方面現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢瑁哂匈|(zhì)量可靠，降低成本，縮短工期和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

水泥：金隅P·Ⅱ52.5R 水泥；硅灰：山東博肯硅材料有限公司；石英砂1# 砂（1.25~0.63mm）、2# 砂（0.630~0.315mm）和3# 砂（0.315~0.160mm）；膨脹劑：UEA 型干粉膨脹劑；減水劑：北京市建筑工程研究院有限公司粉狀聚羧酸減水劑；納米二氧化硅：北京德科島金科技有限公司；消泡劑：北京筑寶新技術(shù)有限公司，粉末消泡劑PD-2000D。

1.2 試驗(yàn)方法

稱取一定量的水泥、微硅粉、砂、減水劑、膨脹劑、消泡劑等干粉料，混合均勻，按照一定的水膠比稱取水，用膠砂攪拌機(jī)自動(dòng)程序進(jìn)行攪拌，即得到水泥基灌漿料。

1.3 測(cè)試方法

灌漿料流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度和豎向膨脹率試驗(yàn)參照《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50448—2015）進(jìn)行，泌水率參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》（GB/T 50080—2016）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂的級(jí)配對(duì)灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

砂的級(jí)配是進(jìn)行灌漿料配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。試驗(yàn)時(shí)固定膠凝材料與砂的質(zhì)量比為1:1、水膠比為0.28、粉體減水劑、膨脹劑摻量（均按占膠凝材料的總量計(jì)，下同）分別為0.40%、0.2%，消泡劑0.025%，研究砂的級(jí)配對(duì)灌漿料性能的影響（表1）。

表1 砂的級(jí)配對(duì)灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

石英砂的顆粒級(jí)配越好，灌漿料的結(jié)構(gòu)越密實(shí)，強(qiáng)度越高[8]。從表中可以看出，隨著石英砂的級(jí)配變化，灌漿料的流動(dòng)度和強(qiáng)度的變化不一致。相同質(zhì)量下，石英砂的砂越細(xì)，顆粒總表面積越大，需水量越大，流動(dòng)度越差；較粗的砂的流動(dòng)度更好。強(qiáng)度上，細(xì)砂的比例越大，易形成緊密堆積，1d 和3d 強(qiáng)度較高。主要在于細(xì)砂能夠在早期形成骨料間的黏結(jié)。因此，綜合流動(dòng)度和強(qiáng)度，石英砂的顆粒級(jí)配固定在m（3#）:m（2#）:m（1#）=2:4:4。

2.2 水膠比對(duì)灌漿料性能的影響研究

通過固定砂級(jí)配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質(zhì)量比為1:1、粉體減水劑、膨脹劑摻量分別為0.4%、0.2%，消泡劑0.025%，研究水膠比對(duì)灌漿料性能的影響（表2）。

表2 水膠比對(duì)灌漿料性能的影響

從表2 可以看出，水膠比對(duì)灌漿料的流動(dòng)性影響較明顯，隨著水膠比的增加，流動(dòng)度呈增加的趨勢(shì)，但是會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，反而會(huì)影響強(qiáng)度。原因在于水膠比較大時(shí)，初期水泥水化產(chǎn)物便會(huì)被分解，形成不了較高強(qiáng)度。因此綜合考慮流動(dòng)度和強(qiáng)度，水膠比固定為0.30。

2.3 膠砂比對(duì)灌漿料性能的影響

膠砂比對(duì)灌漿料的流動(dòng)性和強(qiáng)度有較大影響。通過固定砂級(jí)配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、水膠比為0.30、粉體減水劑、膨脹劑摻量分別為0.4%、0.2%，消泡劑0.025%，研究膠砂比對(duì)灌漿料性能的影響（表3）。

表3 膠砂比對(duì)灌漿料性能的影響

由表3 可得，隨著膠砂比的降低，灌漿料的流動(dòng)性不斷降低。主要原因是水泥基材料內(nèi)部砂的比例增加，骨料增加，相對(duì)漿體厚度減少，摩擦增加，從而影響灌漿料的流動(dòng)度。1d 強(qiáng)度隨著膠砂比的降低有所降低，28d 強(qiáng)度隨著砂膠比的增加而增加。主要原因在于膠砂比的降低，在早期參與水泥水化的膠凝材料有所降低，不利于強(qiáng)度的發(fā)展，水化后期水化反應(yīng)已基本完成，強(qiáng)度較高的骨料反而能增強(qiáng)宏觀力學(xué)強(qiáng)度，骨料越多，強(qiáng)度越大。因此將膠砂比固定在1:1.2。

2.4 膨脹劑的摻量對(duì)灌漿料豎向膨脹率的影響

灌漿料要達(dá)到一定無收縮甚至微膨脹的效果，必須引入膨脹劑。本文通過固定砂級(jí)配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質(zhì)量比為1:1.2、水膠比為0.30、粉體減水劑0.40%，消泡劑0.025%，通過調(diào)整膨脹劑的摻量，進(jìn)行豎向膨脹率試驗(yàn)，研究膨脹劑的加入對(duì)灌漿料豎向膨脹率的影響（表4）。

表4 膨脹劑對(duì)灌漿料性能的影響

采用硅酸鹽水泥膠凝體系制備灌漿料，在硬化過程中會(huì)產(chǎn)生較大的塑性收縮。因此在配合比設(shè)計(jì)中必須引入膨脹劑，補(bǔ)償漿體的早期收縮。本文采用UEA膨脹劑，隨著膨脹劑摻量的增加，灌漿料的3h 豎向膨脹率及24h 與3h 膨脹率之差呈現(xiàn)規(guī)律增長(zhǎng)的趨勢(shì)。主要原因在于膨脹劑在水泥石內(nèi)部生成鈣礬石晶體，吸水膨脹，填充了孔隙[9]。摻量為0.3%時(shí)，灌漿料的3h 和24h 豎向膨脹率即可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即3h 豎向膨脹率不低于0.1%，24h 與3h 豎向膨脹率差在0.02%~0.5%。再增加膨脹劑的用量，灌漿料的各齡期的強(qiáng)度會(huì)有明顯的下降。因此UEA 膨脹劑的摻量為0.3%。

2.5 納米二氧化硅對(duì)灌漿料性能的研究

前文通過調(diào)整水膠比、膠砂比以及顆粒級(jí)配能夠不同程度提高灌漿料的抗壓強(qiáng)度，但最終抗壓強(qiáng)度在100MPa 左右，沒有達(dá)到120MPa。研究表明少量的納米材料良好分散在水泥中時(shí)能夠使水泥石更加致密，強(qiáng)度更高。通過固定砂級(jí)配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質(zhì)量比為1:1.2、水膠比為0.30、膨脹劑、粉體減水劑分別為0.3%、0.40%，消泡劑0.025%，采用納米二氧化硅，研究其對(duì)灌漿料強(qiáng)度的影響（表5）。

表5 納米二氧化硅對(duì)灌漿料性能的影響

納米二氧化硅摻入到配合比設(shè)計(jì)中，不僅能起到顆粒填充的作用，而且其本身具有火山灰效應(yīng)，能夠參與到水泥水化過程中，提高水泥強(qiáng)度的發(fā)展和耐久性。從表中可以看出隨著納米二氧化硅摻量的增加，流動(dòng)度較空白樣有所降低，各齡期抗壓強(qiáng)度均有所提高，且28d 強(qiáng)度達(dá)到120MPa 以上。摻量在0.8%時(shí)，流動(dòng)度損失較大，已不能滿足灌漿料的工作要求。原因在于納米二氧化硅摻量過大時(shí)，顆粒之間容易團(tuán)聚形成薄弱區(qū)域，影響強(qiáng)度。因此納米二氧化掛的摻量為0.4%，28d抗壓強(qiáng)度為128MPa。

2.6 減水劑對(duì)灌漿料性能的研究

加入納米二氧化硅后，對(duì)灌漿料的流動(dòng)度有所影響。本文固定砂級(jí)配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質(zhì)量比為1:1.2、水膠比為0.30、膨脹劑、納米二氧化硅分別為0.3%、0.4%，消泡劑0.025%，研究聚羧酸減水劑的摻量對(duì)灌漿料性能的影響（表6）。

表6 減水劑對(duì)灌漿料性能的影響

聚羧酸減水劑對(duì)灌漿料的流動(dòng)度影響比較明顯。從表6 可得，隨著減水劑摻量的增加，流動(dòng)度呈規(guī)律性增加，當(dāng)摻量在0.8%時(shí)，泌水率比較大，影響凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度。故減水劑摻量在0.6%時(shí)，灌漿料的流動(dòng)度和強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。

2.7 緩凝劑摻量對(duì)灌漿料流動(dòng)性的影響

不同摻量葡萄糖酸鈉緩凝劑對(duì)灌漿料工作性影響如圖1 所示，當(dāng)不摻緩凝劑時(shí)，初始流動(dòng)度小，30min 流動(dòng)度損失超過30mm。而隨著緩凝劑摻量的增大，初始流動(dòng)度略有增加，30min 流動(dòng)度變化明顯，當(dāng)緩凝劑摻量加為1%時(shí)，30min 后的流動(dòng)度明顯增加，當(dāng)緩凝劑摻量加為3%時(shí)，30min 后流動(dòng)度幾乎和初始流動(dòng)度相同，經(jīng)時(shí)變化量幾乎為0，出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象，但是會(huì)影響1d 強(qiáng)度。聚羧酸高性能減水劑能顯著增大水泥顆粒的分散度，使參與反應(yīng)的水泥顆粒增多，可大幅增加漿體的初始流動(dòng)度，但加速了水泥的中后期水化，所以需要選擇適當(dāng)?shù)木從齽?，使灌漿料保持良好的流動(dòng)度和早期強(qiáng)度。因此，葡萄糖酸鈉緩凝劑的加量為2%，灌漿料的流動(dòng)度保持較好。

圖1 不同摻量葡萄糖酸鈉緩凝劑對(duì)灌漿料工作性影響

綜上，通過研究灌漿料配合比設(shè)計(jì)的砂級(jí)配、水膠比、砂膠比、膨脹劑、納米材料這幾個(gè)因素，確定的灌漿料的配比為，砂級(jí)配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質(zhì)量比為1:1.2、水膠比為0.30%、膨脹劑、減水劑、納米二氧化硅分別為0.30%、0.6%、0.4%、緩凝劑摻量2%、消泡劑0.025%。高強(qiáng)灌漿料的性能參數(shù)如表7 所示。

表7 高強(qiáng)灌漿料的性能參數(shù)

3 海上風(fēng)電基礎(chǔ)高強(qiáng)灌漿料施工效果

海上風(fēng)電基礎(chǔ)高強(qiáng)灌漿料施工效果如圖2 所示。

圖2 海上風(fēng)電基礎(chǔ)高強(qiáng)灌漿料施工效果

4 結(jié)語

（1）在高強(qiáng)水泥基灌漿料中，當(dāng)砂級(jí)配合理時(shí)，灌漿料的結(jié)構(gòu)較密實(shí)，強(qiáng)度較高。水膠比和膠砂比對(duì)灌漿料的流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度都有較大影響，應(yīng)用時(shí)根據(jù)原材料的差異確定最優(yōu)水膠比和膠砂比。膨脹劑的加入能夠使灌漿料實(shí)現(xiàn)微膨脹、彌補(bǔ)水泥石硬化產(chǎn)生的收縮。減水劑能夠顯著提高灌漿料的流動(dòng)度，合適的摻量也有利于強(qiáng)度的發(fā)展，因此應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定最佳摻量。

（2）納米二氧化硅因其自身的納米效應(yīng)，能夠提高灌漿料的強(qiáng)度，使灌漿料實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)。

（3）不同緩凝劑摻量對(duì)水泥基灌漿料的工作性影響不同.隨著緩凝劑摻量的增加，初始流動(dòng)度略有增加，30min 后的經(jīng)時(shí)損失明顯減小，最佳摻量為2%。使得灌漿料工作性能顯著提高。

（4）本文確定的灌漿料的配比為砂級(jí)配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質(zhì)量比為1:1.2、水膠比為0.30、膨脹劑、減水劑、納米二氧化硅、緩凝劑分別為0.30%、0.6%、0.4%、2%、消泡劑0.025%，初始流動(dòng)度達(dá)到388mm，30min 流動(dòng)度為360mm，28d 抗折強(qiáng)度達(dá)到15.99MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到131MPa。其具有大流動(dòng)性、可泵送性好、超早強(qiáng)、超高強(qiáng)、無收縮的特點(diǎn)，適合海上風(fēng)電基礎(chǔ)用水泥基灌漿料。